汽车橡塑件老化试验研究

汽车橡塑件老化试验研究【摘要】：汽车内外饰件多是橡塑材料，易受自然环境中阳光、温度、湿度等的影响而产生老化现象。本文主要介绍了橡塑件的老化影响因素，研究车型A、B在海南暴晒一年的老化现象形成规律，以及探讨老化试验方法。【关键词】：老化影响因素老化现象形成规律试验方法TestingMethodsofAgingforPlasticandRubberComponentsofVehiclesAbstract:Mostofexteriorandinteriorofvehiclesareplasticandrubber.Thesecomponentsareliabletoagingwiththeaffectofthesunshine,temperature,humidity,etc.intheentironment.Inthisarticle,thefactorsofagingareintroduced,andexposingvehicleAandBinHainanProvinceforoneyearisresearchedforagingrule,alsotestingmethodsarediscussed.Keywords:factorsofaging,agingrule,testingandevaluatingmethods1、前言随着汽车向小型化、轻量化方向发展，橡塑材料在汽车上的用量日益增加。尤其是内外饰件，橡塑材料以其生产工艺简单、成本低廉、成品感观舒适等优点而得到大量应用，并渐成主流趋势。但橡塑材料也存在一个很大的缺点，即使用时易受到自然环境中的阳光、温度、湿度等的影响而不可避免地产生老化现象，例如仪表台板发白、遮阳板起皱、前罩装饰件变形等。这些情况都会让顾客对汽车的总体评价大打折扣。为了筛选符合要求的材料品种，预知其耐气候老化性能，在产品开发阶段，通常要做户外自然曝晒试验和人工加速老化试验。2、老化影响因素【1～3】2.1阳光阳光以光波的形式在空气中传播，光波能量（E）与频率（V）成正比，与波长（λ）成反比。在太阳光谱中，波长短的紫外线具有较强的能量，它虽然只有太阳总辐射量的1%左右，但其对橡塑材料的影响很大。橡塑材料的大分子链吸收紫外线的能量，按自由基机理进行分解，导致出现氧化、臭氧化、水解等现象，同时，聚合物的结晶取向、结晶大小、结晶构造等也都会受到影响，从而使材料的性能下降。阳光对材料老化的影响主要从以下三个方面考虑：（1）光谱分布：主要是短波长的紫外线部分在整个光谱范围中所占的比重。在自然环境中，高海拔、云层薄的地区接收到的紫外线更多，橡塑材料在这种地区更容易因发生光化学反应而老化；（2）光照辐射强度：在地球不同的纬度地区、同一地区的不同季节、同一天的不同时段，光照辐射强度都有所不同；（3）光照时间：光照时间对材料的老化起着累积的效应。2.2温度（1）热能引起材料降解，热老化反应会在较高温度下发生，而在低温下这种反应则很慢或不会发生。（2）高温对化学反应起加速作用。材料的温度每升高10℃，化学反应的速度就会翻倍。如对光化学反应的影响，光化学反应不是简单的一步反应，在大分子链吸收光能释放出自由基后，还要进行一连串的后继反应。虽然温度不影响光致化学反应中的光致反应速度，却影响后继的因光致反应产生的自由基小分子间的化学反应速度，从而加速了整个反应进程。（3）热循环的影响：温度的突然变化会使材料与环境之间产生温差，造成内应力过大而扩大原有缺陷。汽车橡塑材料通常会出现不同程度的尺寸变化。而且热循环可加速橡塑材料的老化进程。2.3湿度（1）湿气的影响：高湿空气中的水蒸气会附着在产品的表面，形成一层水膜，水膜与空气中的酸性气体（CO2、SO2、NO2等）作用而具有稀酸性质，对材料产生腐蚀作用。湿热的环境还会促进霉菌的生长。（2）露水的影响：露水富含氧气，长时间停留在产品表面，会加速材料的氧化。露水的凝结和蒸发引起的干湿交替会加速材料的吸湿和腐蚀过程，引起尼龙等亲水型塑料的膨胀和收缩，加速增塑剂的损失。2.4其他自然环境复杂多样，橡塑材料老化除了上诉三个主要影响因素之外，还与大气污染物、盐雾、微生物等有关。这些因素都可以引起材料老化或起到加速作用。（1）大气污染物：SO2、H2S、氮氧化物等大气污染物溶解于雨水、露水中，降落附着在产品表面，形成酸性溶液，引起腐蚀。（2）盐雾是由海洋和盐湖中的激浪冲击岩岸时，飞溅的水沫成为雾状进入大气中而形成。其中的Cl—是强电解质，会加剧金属的电化学锈蚀，导致漆层起泡、脱落，引起密封橡胶老化。（3）微生物中对橡塑产品影响较大的是霉菌。霉菌能将某些材料作为食物，使其分解直至破坏，导致材料性能明显变化。大量霉菌附着于材料表面形成生物膜，膜中含有其新陈代谢产生的腐蚀性物质，例如H+、H2S、NH4等。引起材料的快速局部腐蚀。2.5小结汽车在实际使用时的自然环境条件复杂多变，汽车的种种老化现象都是多种环境因素综合作用的结果。就车门外夹条而言，阳光、温度、湿度、大气污染物和霉菌都会影响它的外观和性能。橡胶材料受阳光中紫外线的辐射而发生光化学反应，高温本身导致热老化，同时加快反应速度。高湿和大气污染物导致表面形成酸性腐蚀膜，高温高湿的环境和表面有机物质的富集也为霉菌的生长提供了一个绝佳的环境，霉菌的新陈代谢产物更近一步加剧了腐蚀，这几大因素相互影响，共同作用才导致了产品最终的老化现象。因此，在讨论环境对产品的影响时，不能仅考虑单一因素或几个因素，而应考虑多因素的综合作用。3、老化现象形成规律车辆的耐用性是影响客户购买决定的重要因素，而车辆的老化折旧速率是决定耐用性的关键因素之一。在老化现象的发展过程中，故障首次出现的时间、老化程度的变化速率都是值得关注的。可以从老化发展过程中探究产品老化的规律，准确预测产品早期故障率和评估市场风险。现有车型A、B在海南进行为期一年的老化试验。在试验期间，气温、湿度的变化较小，光照辐射量随时间的变化情况如图1所示。由图可见，累积辐射总量与时间几乎是成正比的。图1光照辐射量随时间的变化情况老化现象的数量与时间的关系如图2所示。从试验结果看，老化现象从第二月开始大量出现，在第五月基本暴露完全。这一段时间的变化情况可以用“井喷”来形容。产品的老化速率与时间也并不是成正比的，在开始的时候很快，后面的时间里，老化程度不断加深，但速度减慢。图3是样件表面光泽度随时间的变化关系。图3样件表面失光率的变化情况结合以上三个图来看，老化现象遵循这样一条发生规律：在温度、湿度、光照辐射强度0100020003000400050006000123456789101112日照辐射累计总量紫外线辐射累计总量辐照量/KJ/m2时间/月图2老化现象数量与时间的关系051015202530123456789101112时间/月AB00.511.522.533.51234时间/季度失光率/%后保险杠翼子板故障数/个等老化影响因素变化不大的情况下，故障出现的数量与时间的关系并不是线性的，故障的出现有一个“爆发”期，其后不断恶化，恶化的速率是前快后慢的。我们要关注的正是如何使不可避免的老化现象尽可能地延后出现，以及减缓故障恶化的速度。4、试验评价方法4.1整车暴晒试验整车暴晒试验是将整车试样置于能代表某一气候类型区域的室外自然大气环境条件下进行暴露试验，让其经受阳光、温度、湿度、雨水、氧、臭氧及其他环境因素的综合作用。按规定的暴露试验期限，定期检测整车用非金属材料制品的外观、力学、电学、化学或其他性能变化和金属材料制品的腐蚀变化，从而评价整车试样耐大气环境老化腐蚀性能及操作使用性能。整车暴晒试验的试验条件是最接近产品实际使用情况的，可以真实直观地反映出产品性能在多种环境因素复杂作用下的演变规律。就验证效果来看，它不仅能考察橡塑件本身的性能，还能体现其在整车中的使用性能，是验证产品环境适应性的有效手段。但相对于汽车产品的开发周期来说，耗时太长。4.2零部件IP/DP箱暴晒试验【4】IP/DP（InstrumentPanel/DoorPanel）箱是指用于汽车仪表板、门内饰板等内饰件暴晒试验的玻璃箱。它通过线性轴扇控制箱内的温度在特定范围内，为试样提供了一致的气流。零部件IP/DP箱暴晒试验即是将内饰零部件置于这种特制的玻璃箱中进行的老化试验。IP/DP箱暴晒试验的优点在于能在零部件投入使用之前进行试验，及早发现问题。但与整车暴晒试验相比，也存在以下三个弊端：（1）热负荷太高：IP/DP箱试验是将部件置于阳光直射的环境中去考察。对于安装在非阳光直射区域的内饰件而言，与实际车辆上的使用环境相比，部件承受的热负荷太高，考察条件太苛刻，试验结果失真；（2）不能确定零部件的使用功能情况：由于没有安装在整车上，对零部件的考察往往仅限于外观，使用功能的变化情况得不到考察；（3）与整车暴晒试验相比，由于没有安装位置的差异，而不能反映出温度差异。表1是车型A、B的部分内饰件近年夏天在整车暴晒中测得的最高温度值，由表1可见，安装在不同位置的内饰件，由于受到的光照情况不同而有温度差异。IP/DP箱中的温度则始终保持在某一特定水平，白天在70±3℃，夜晚在38±5℃。表1部分内饰件在整车暴晒中测得的表面最高温度值序号零部件名称表面最高温度值(℃)车型A车型B1遮阳板69.668.92安全拉手61.364.13中央储物盒59.258.14组合开关右手柄81.682.75内开手柄62.359.86副驾驶扶手67.362.17换挡防尘罩57.459.88保险盒盖65.254.19应急灯开关80.382.810仪表台板最前端中央99.698.94.3零部件人工加速老化试验不同于上述两种自然暴晒试验，零部件人工加速老化试验是在试验室中进行的。通过分析产品使用环境条件，根据各因素对老化现象的影响作用大小，筛选出一项或几项主要的因素进行人工模拟试验。如人工加速光老化试验、热老化试验、盐雾试验、腐蚀试验、霉菌试验以及多因子组合模拟自然环境的加速试验。零部件人工加速老化试验的优点在于试验周期短，重现性好，可用于快速比较几种材料的耐候性优劣，从中筛选合适的材料。缺点是老化应力单一，不能完全模拟出产品实际使用环境。而且容易由于条件控制不当而造成结果失真。目前，将人工模拟试验与自然环境试验对比研究，探寻两者之间的相关性，通过人工加速老化试验进行产品故障预测预报和寿命评估、环境与产品失效分析、环境作用机理研究等正成为热点。4.4现状讨论近年来汽车工业发展迅速，用户对产品质量的要求也越来越高。汽车耐候性是可靠性考核点之一，提高汽车的耐候性能，对于品牌美誉度、市场影响力都大有好处。国内企业在老化试验领域做得还远远不够。（1）无论是整车暴晒，还是IP/DP箱暴晒，试验方法和评价标准都是借鉴国外企业的，没有结合中国市场的具体情况进行合理的调整。试验场地仅限于海南，且与国内其他地区的关联性也没有明确。（2）评价标准不完善。目前对老化的评价还只是针对零部件的，且不同零部件、不同老化现象的评级也有很大差异，缺乏对整车的评价。5、结论（1）汽车的老化现象是使用环境中多因素综合作用的结果，在考察环境对产品的影响时，不能仅考虑单一因素或几个因素，而应考虑多因素的综合作用。（2）对车型A、B在海南进行的一年整车暴晒进行研究发现，在温度、湿度、日照辐射强度等老化影响因素变化不大的情况下，老化现象首次出现的时间、发展速率与时间的关系并不是线性的，而是前快后慢。（3）老化试验是控制汽车产品的耐候性能的重要手段，目前广泛采用的几种试验评价方法各有利弊，在运用时应针对考察重点而有所选择。参考文献：【1】户外老化：暴晒测试基础.【2】李德武等.自然环境试验.国防科工委科技与质量司。【3】杜君俐，李华明.涂料的老化与试验.现代涂料与涂装，2008（4）：38-42【4】张华，高泽海.汽车内饰件的自然暴晒试验.环境试验，2009(6)：10-13